民机客舱危险状况下乘员应急撤离预测研究

吴义兵，纪 乾，宋 娜，邹田春，陈 琨

（中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津300300）

1985年，英国空旅航空28M号班机空难，由于机组没有开展有效的应急撤离造成55人死亡；1989年，沙特阿拉伯航空163号班机空难，因机组紧急逃生训练不足导致全部成员301人死亡。这些灾难性事故使得各国民航当局，如美国联邦航空局FAA（Federal Aviation Administration）和英国民用航空局UK CAA（Civil Aviation Authority）着手开展应急撤离的研究工作。截止2004年，FAA对应急撤离适航条款进行了10次修订，逐步明确适航要求和符合性方法。中国民用航空局在2011年发布了最新的适航规章CCAR-25-R4版，其中对飞机应急撤离的要求与欧美标准基本一致，条款中明确规定，对于客座量超过44座的飞机，需要进行应急撤离演示或分析表明最大乘座量的乘员能在90 s内在模拟应急情况下从飞机撤离至地面[1]。

应急撤离演示试验存在较高的安全风险，且试验费用昂贵，准备和组织耗时长，并且出于安全考虑适航当局要求的演示试验是一种局限性较大的撤离演示性质的试验。但由于危险状况产生的恐慌心理特点，这样的撤离试验无法反映撤离人员在真实事故下的行为特征，为此，需要分析危险状况下人员竞争的触发机理，并借助计算机仿真对难以开展试验的危险情况进行预测。

目前，国外研究机构已经提出了10余种仿真模型，FAA最早开发了人员疏散模型GPSS（General Purpose Simulation System Model）[2]，可以用来模拟 90秒撤离规则，但是没有考虑到危险情况，难以模拟超越或竞争情况。此后，FAA又进一步开发了GA（Gourary Associates model）模型[3]，该模型中可以考虑火灾危险和烟气情况。英国格林威治大学开发的airEXODUS[4，5]，加拿大航空研究公司开发的DEM[6]（Discrete Element Method）模型以及美国纽约大学布法罗分校开发的VacateAir[7]等同样能够模拟适航要求的撤离演示试验和对真实事故的撤离进行分析，美国韦恩州立大学研发的AvatarSim[8]采用社会力模型考虑恐慌情况下的乘员行为。但这些模型只是针对特殊的事故场景或特定的“全尺寸应急撤离演示试验”进行验证，撤离模型的有效性和准确性还有待进一步完善。

国内飞机应急撤离研究方面起步较晚，基础较为薄弱，尚未开发出飞机应急撤离仿真模型[9]。国内民机型号偏少，导致应急撤离演示试验数据不全面，缺乏对试验数据与设计的相关性分析，难以有效地指导飞机客舱的应急撤离性能设计。

本文根据民机内部客舱设计及应急撤离适航要求，采用元胞自动机和智能体理论，构建了飞机应急撤离仿真模型。首先对飞机应急撤离演示试验状况进行仿真分析，然后考虑飞机迫降过程中多数情况会发生火灾，将导致乘员恐慌加剧，此种危险状况促使乘员迫切希望更加迅速地从飞机撤离，这可能造成拥挤、推搡等情况，一定程度上反而会减缓撤离速度。因此，为了研究危险状况下的应急撤离人员行为，本文在仿真模型中引入竞争因子对客舱中撤离人员的竞争行为进行模拟，研究危险状况对乘员应急撤离的影响，为真实应急撤离状况的仿真提供技术支持。

1 飞机应急撤离仿真模型

1.1模型原理

在危险状况下，乘员的年龄、性别、胖瘦等和客舱环境的亮度、浓烟、毒性等因素对对乘员的心理特征有不同程度的影响，而且乘员具有智能性，其心理特征更难把握，行为也更难仿真预测传。所以，传统的元胞自动机理论不能直接运用于应急撤离仿真，故需要对传统的元胞自动机进行扩展，建立符合人员撤离机制的元胞自动机模型。

基于多智能体和元胞自动机应急撤离模型是在元胞自动机的基础上建立起来的，表示元胞由于自身的特性无法表达人员的智能性及属性之间的差异，因此引入多智能体理论。某一智能体（乘员）与周围其他职能体和环境之间构成了局部状态，根据这些状态信息和其他智能体的目标进行判断，实现智能体的愿望，并表现为乘员的移动行为，且这种行动能力受周围其他智能体的各种属性约束。

具体算法是基于多智能体理论，将参加竞争的人员的属性转换为竞争的概率，通过轮盘赌算法产生竞争成功的人员，其他人员则选择次优方向或者等待。

参加竞争人员i的竞争成功概率:

竞争中有可能会出现全部人员竞争不成功的现象，即所有人员均不能移动，为了模拟这种现象，引入竞争因子μ，即参与竞争同一网格的人员均不成功的几率。μ∈[0，1]，当 μ =0，撤离过程无竞争现象。若恐慌水平越高，对同一目标点的竞争就越大，拥挤和排斥作用也越大，导致所有人竞争不成功的几率就越大[10]。因此，竞争模型中的竞争因子，可以模拟危险状况对乘员造成的负面影响，从而开展危险状况下的仿真研究。危险状况下应急撤离的客舱构型和打开的应急出口与演示试验状况下的客舱构型和打开的应急出口一致。

1.2应急撤离仿真流程

民机应急撤离仿真建模是由人-机-环三个核心模块构成[11]，飞机的特性模块处于基础地位，首先依据客舱的布局设计特点，建立飞机客舱内部的物理模型，在所建立的客舱物理模型基础上，主要关注环境亮度、浓烟、毒性等因素来建立大气环境场，基于CCAR-25-R4部应急撤离适航条款要求的机组个数和旅客性别、年龄等比例设置好人群分布，再根据试验或统计数据对撤离人员进行参数设置，具体参数包含反应时间、运动速率、人员出口犹豫时间等，然后进行撤离过程解算，输出解算结果。最后，依据飞机应急撤离性能的基本指标，分析飞机的撤离性能[10]。

撤离仿真中用的是信息流传播理论方法，首先对每位乘员进行可移动性判断，然后进行出口选择，按照选择的出口和周围环境选择移动方向，通过乘员的当前状态及周围环境计算移动速度，更新乘员位置。如果多位乘员选择同一个位置，将出现竞争，基于乘员自身属性和一定的概率进行选择，竞争成功的乘员则移动至新的位置，其他未竞争成功的乘员或等待或选择其它备选方向。更新时刻再重复循环以上过程直至所有乘员撤离完毕。

1.3飞机应急撤离模型

本文以民用运输机为例，建立应急撤离模型，依据典型飞机构型特点，采用两对C型出口加两对翼上III型出口，如图1所示。现实客舱布局简化如下，客舱中座椅、厨房、卫生间等物理模型简化使用二维四方网格表示，网格大小为0.5 m×0.5 m.考虑出口处有撤离滑梯的存在，同时只能有一人通过，所以将登机门和服务门出口简化为一个网格宽度，与乘员网格大小一致；应急出口和过道宽度简化为一个网格宽度，前后翼上应急出口处无障碍过道宽度简化为两个网格宽度。座椅前后方向简化为两个网格，左右方向简化为一个网格。图2给出了客舱布置简化模型，飞机客舱旅客量174人。

图1 飞机客舱平面布置

图2 客舱布置简化模型

2 飞机应急撤离仿真分析

2.1应急撤离性能评价指标

本文采用撤离总时间 TTotal（Total Evacuation Time）、最 优 性 能 统 计 OPS（Optimal Performance Statistic）来对比分析四种不同工况下的撤离性能[10]。

其中，OPS表示客舱布局的合理程度，是由英国格林威治大学防火工程研究所FSEG（Fire Safety Engineering Group）提出，OPS计算公式如下：

式中：n为撤离可用出口数量；EETi为出口i最后一位乘客撤离时间（s）；TTotal为总撤离时间（s），即MAX[EETi]

且总撤离时间满足：

式中：

TExitPrep=出口准备时间，等于演示开始直至首位撤离人员到达地面或到达翼上出口平台的时间间隔

飞机的OPS只要低于某一数值即可认为撤离是理想的，而这个数值可以任意设定，FSEG认为OPS低于0.1即可认为撤离性能是理想的。

本文针对打开机身前后部登机门和同侧翼上Ⅲ型出口的客舱构型，如图3所示，分别进行应急撤离演示状况和危险状况下的应急撤离仿真分析。

图3 Ⅲ型出口布置

2.2演示试验状况下应急撤离仿真

通过进行演示试验状况下的仿真，获得应急撤离时间分布图，图4是1 000次仿真统计总撤离时间与频率的分布，表1是演示试验状况下撤离总时间与乘员出口准备时间的统计。由图4和表1可知，此种状况下1 000次撤离仿真的均值为84.42 s，符合CCAR25部应急撤离要求。出口准备时间为撤离开始至首位撤离人员到达地面的时间，1 000次仿真结果的平均值为13.87 s.

图4 总撤离时间分布（1000次仿真统计结果）

表1 演示试验状况下仿真结果

通过多次重复应急撤离仿真，得到飞机撤离的总体性能OPS.由图5可知，撤离点主要落在第一象限和第三象限。撤离点落在第一象限，说明撤离十分理想且总撤离时间低于90 s，满足适航要求。撤离点落在第三象限，说明撤离较理想且总撤离时间低于90 s，即使撤离过程不是很理想，撤离时间还是低于90 s，满足应急撤离适航要求。图6给出了此种状况撤离包线，显示了撤离效率的上下限，撤离初期，撤离效率提升空间有限；撤离末期，撤离效率可以通过提高乘务员管理能力等措施进一步提高，具有一定提升空间。

图5 撤离性能分析图

图6 撤离包线（1000次仿真统计结果）

2.3危险状况下应急撤离仿真

通过进行危险状况下的应急撤离仿真，获得应急撤离时间分布图，由图7和表2可知，此种状况下1000次撤离仿真的均值为96.15 s，超出了适航要求的90 s总撤离时间，与演示试验状况下相比，平均撤离时间增加13.89%；撤离时间最小值和撤离准备时间，两种状况下无明显变化；需要关注的是，演示试验状况下的撤离时间最大值为92.64 s，而危险状况下撤离时间最大值为118.64 s，最大撤离时间增加28%.这说明危险状况下的应急撤离与演示试验截然不同，危险状况导致乘员加剧恐惧和紧张，乘员试图增大期望速度，但由于飞机客舱构型狭小，没有更多空间使乘员加速，导致出现拥挤、推搡等情况，乘员的平均移动速度反而会减小，在一定程度上降低了撤离效率，对应急撤离造成重大影响，呈现“快即是慢”的现象[10]。这也验证了许多飞机应急着陆事故中，虽然飞机全尺寸演示验证试验满足适航要求，但在实际情况中，特别是伴随危险发生时，撤离时间往往大于90 s，造成较多的人员伤亡。

图7 总撤离时间分布（1000次仿真统计结果）

表2 危险状况下仿真结果

图8给出了飞机撤离的总体性能OPS.撤离点分布比较分散，大部分位于第四象限和第三象限，少数散落于第一象限。落在第四象限的撤离点说明撤离仿真试验的撤离时间超过90 s，并且撤离的过程不理想；落在第三象限的撤离点说明撤离试验的撤离时间虽低于90 s，但撤离的过程也不理想；落在第一象限的撤离点说明撤离时间低于90 s，撤离的过程很理想。图9给出了此种状况下的撤离包线，同样可以看出撤离后期撤离效率还是有一定提升空间。

图8 撤离性能分析图

图9 撤离包线（1000次仿真统计结果）

3 结束语

本文建立了基于多智能体和元胞自动机的民机客舱应急撤离模型，进行应急撤离仿真分析，通过引入乘员之间的竞争因子，模拟危险状况下乘员的撤离情形，对比两个状况下的乘员撤离时间，进而研究危险状况对乘员撤离造成的影响，研究结果表明：

1）演示试验状况下的应急撤离总时间低于90 s，理论上符合应急撤离适航要求，OPS结果表明客舱布局合理，撤离性能较为理想。

2）考虑危险状况下的人员竞争，平均总撤离时间增加为96.15 s，超出了适航要求的90 s总撤离时间。危险状况下的总撤离时间最大值远大于演示试验总撤离时间最大值，在竞争激烈的情况下，撤离效率较低，这也与加拿大航空局通过撤离实验得到的结论相一致[12]，较好地说明了人员疏散中“快即是慢”的典型现象。

3）通过建立飞机应急撤离模型对两种状况下乘员撤离进行仿真，结果表明通过合理设计应急撤离程序，提高了乘务员乘客管理能力、运动能力以及协作能力等，可以进一步提升撤离效率。

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